光的干涉 PPT讲稿.ppt

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1、光的干涉光的干涉 第1页，共39页，编辑于2022年，星期五S发射的任一束光发射的任一束光1，经薄膜上下界面反经薄膜上下界面反射后得到平行光射后得到平行光2和和3，它们被，它们被L会聚会聚于焦平面上一点于焦平面上一点P，显然显然2和和3满足相干满足相干光条件，将产生干涉。光条件，将产生干涉。2、3两光线的光程差为：两光线的光程差为：Sabcdn1n2n3PiiCDB123LeA45第2页，共39页，编辑于2022年，星期五其中的其中的/2为半波损失的效果（为半波损失的效果（当光从折射率小的光疏介质，射入当光从折射率小的光疏介质，射入折射率大的光密介质时，反射光有半波损失折射率大的光密介质时，反

2、射光有半波损失）。）。第3页，共39页，编辑于2022年，星期五对透射光对透射光4和和5，此时的光程差为：，此时的光程差为：它们的干涉图样将与它们的干涉图样将与2和和3正好相反正好相反/互补。互补。Sabcdn1n2n3PiiCDB123LeA45第4页，共39页，编辑于2022年，星期五若若S为复色光源，照射薄膜后，能观察到彩色的为复色光源，照射薄膜后，能观察到彩色的干涉条纹。干涉条纹。结论：结论：一束光从面光源上一束光从面光源上S点射到薄膜表面时，产生反点射到薄膜表面时，产生反 射、折射光，这两列光波的振幅都小于入射光的射、折射光，这两列光波的振幅都小于入射光的 振幅。可形象地说：振幅。可

3、形象地说：“振幅被分割了振幅被分割了”。同理，光。同理，光 到下表面时，又有反射光与折射光，所以说振幅到下表面时，又有反射光与折射光，所以说振幅 一次一次地被分割，此方法称为一次一次地被分割，此方法称为分振幅法分振幅法。第5页，共39页，编辑于2022年，星期五二、二、增透膜与反射膜增透膜与反射膜由上面所讨论的薄膜干涉可知，可以通过镀膜的方法提高由上面所讨论的薄膜干涉可知，可以通过镀膜的方法提高光学仪器的折射率或反射率，这种膜称为增透或反射膜。光学仪器的折射率或反射率，这种膜称为增透或反射膜。n0ncnh如图：镀层厚度为如图：镀层厚度为h，折射率折射率n0ncn，当以波长为当以波长为 的光垂直

4、入射的光垂直入射时，反射光的光程差为：时，反射光的光程差为：若要达到增透的效果只需：若要达到增透的效果只需：即：反射光相互减弱，此时即：反射光相互减弱，此时h 应满足：应满足：第6页，共39页，编辑于2022年，星期五反之要达到增反的效果只需：反之要达到增反的效果只需：（1）等倾干涉）等倾干涉由薄膜干涉公式：由薄膜干涉公式：可知，对于厚度可知，对于厚度e 均匀的平行平面薄膜，若用单色光照射，光程差只随入射角均匀的平行平面薄膜，若用单色光照射，光程差只随入射角i 的的改变而改变。这样，具有相同入射角的光线产生的干涉条纹相互重叠，称为等倾干涉。改变而改变。这样，具有相同入射角的光线产生的干涉条纹相

5、互重叠，称为等倾干涉。三、三、三、三、等厚干涉与等倾干涉等厚干涉与等倾干涉等厚干涉与等倾干涉等厚干涉与等倾干涉第7页，共39页，编辑于2022年，星期五（2）等厚干涉）等厚干涉由薄膜干涉公式：由薄膜干涉公式：可知，对于厚度可知，对于厚度e 不均匀的平行平面薄膜，若用单色光以同一入射角不均匀的平行平面薄膜，若用单色光以同一入射角照射，光程差只随厚度照射，光程差只随厚度e 的改变而改变。这样，具有相同厚度的地方反的改变而改变。这样，具有相同厚度的地方反射光产生的干涉条纹相互重叠，称为等厚干涉。典型的等厚干涉包括射光产生的干涉条纹相互重叠，称为等厚干涉。典型的等厚干涉包括劈尖、牛顿环等。劈尖、牛顿环

6、等。第8页，共39页，编辑于2022年，星期五M3.5 3.5 劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉劈尖干涉明纹明纹暗纹暗纹S劈尖角劈尖角第9页，共39页，编辑于2022年，星期五等厚干涉条纹等厚干涉条纹劈尖劈尖不规则表面不规则表面白光入射白光入射单色光入射单色光入射肥皂膜的等厚干涉条纹肥皂膜的等厚干涉条纹第10页，共39页，编辑于2022年，星期五（明纹）（明纹）（暗纹）（暗纹）讨论讨论讨论讨论 1）劈尖）劈尖为暗纹为暗纹.劈尖干涉劈尖干涉第11页，共39页，编辑于2022年，星期五3）条纹间距（明纹或暗纹）条纹间距（明纹或暗纹）2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差）相邻明纹（暗纹）间的厚度差劈尖干涉劈尖干涉

7、第12页，共39页，编辑于2022年，星期五 每一条每一条每一条每一条纹对应劈尖纹对应劈尖纹对应劈尖纹对应劈尖内的一个厚内的一个厚内的一个厚内的一个厚度，当此厚度，当此厚度，当此厚度，当此厚度位置改变度位置改变度位置改变度位置改变时，对应的时，对应的时，对应的时，对应的条纹随之移条纹随之移条纹随之移条纹随之移动动动动.4）干涉条纹的移动）干涉条纹的移动第13页，共39页，编辑于2022年，星期五 例例 1 有一玻璃劈尖有一玻璃劈尖 ,放在空气中放在空气中 ,劈尖夹角劈尖夹角 ,用波长用波长 的单色光垂直入射时的单色光垂直入射时,测得干涉测得干涉 条纹的宽度条纹的宽度 ,求求 这玻璃的这玻璃的

8、折射率折射率.解解第14页，共39页，编辑于2022年，星期五2）测膜厚）测膜厚1）干涉膨胀仪）干涉膨胀仪 劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用第15页，共39页，编辑于2022年，星期五空气空气 3）检验光学元件表面的平整度）检验光学元件表面的平整度4）测细丝的直径）测细丝的直径第16页，共39页，编辑于2022年，星期五3.6 3.6 牛顿环牛顿环牛顿环牛顿环由一块平板玻璃和一平凸透镜组成由一块平板玻璃和一平凸透镜组成光程差光程差第17页，共39页，编辑于2022年，星期五 牛顿环实验装置牛顿环实验装置牛顿环实验装置牛顿环实验装置显微镜显微镜SL M半透半透半反镜半反镜

9、T牛顿环干涉图样牛顿环干涉图样第18页，共39页，编辑于2022年，星期五R光程差光程差明纹明纹暗纹暗纹re暗环半径暗环半径明环半径明环半径第19页，共39页，编辑于2022年，星期五 4）应用例子）应用例子:可以用来测量光可以用来测量光 波波长，用于检测透镜质波波长，用于检测透镜质 量，曲率半径等量，曲率半径等.1）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透 射光中观测，中心点是暗点还是亮点？射光中观测，中心点是暗点还是亮点？2）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？3）将牛顿环置于）将牛顿环置于 的液体中，条纹

10、如何变？的液体中，条纹如何变？工工 件件标标 准准 件件暗环半径暗环半径明环半径明环半径讨讨论论第20页，共39页，编辑于2022年，星期五 测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径测量透镜的曲率半径第21页，共39页，编辑于2022年，星期五总结总结1）干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的）干涉条纹为光程差相同的点的轨迹，即厚度相等的点的轨迹点的轨迹2）厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距）厚度线性增长条纹等间距，厚度非线性增长条纹不等间距第22页，共39页，编辑于2022年，星期五3）半波损失需具体问题具体分析）半波损失需具体问题具体分析第23页，共39

11、页，编辑于2022年，星期五4）条纹的动态变化分析（）条纹的动态变化分析（变化时）变化时）第24页，共39页，编辑于2022年，星期五例例1、一一平平凸凸透透镜镜放放在在一一平平镜镜上上,一一波波长长为为=5893的的单单色色光光垂垂直直照照射射于于其其上上,测测量量反反射射光光的的牛牛顿顿环环.测测得得从从中中央央数数起起第第k个个暗暗环环的的弦弦长长为为Lk=3.00mm,第第(k+5)个个暗暗环环的的弦弦长长为为Lk+5=4.60mm,如如图图所所示示.求求平凸透镜的曲率半径平凸透镜的曲率半径R。lk+5lk.O第25页，共39页，编辑于2022年，星期五解：根据暗环半径公式：解：根据暗

12、环半径公式：lk+5lk.Odrk+5rk第26页，共39页，编辑于2022年，星期五例例2、在在图图示示的的装装置置中中,平平面面玻玻璃璃板板是是由由两两部部分分组组成成的的(冕冕牌牌玻玻璃璃n1=1.50和和火火石石牌牌玻玻璃璃n2=1.75),透透镜镜是是由由冕冕牌牌玻玻璃璃制制成成,而而透透镜镜与与玻玻璃璃之之间间的的空空间间充充满满着着二二硫硫化化碳碳(n=1.62)，若若用用单单色色光光垂垂直直入入射射时时，在在反反射射光光中中测测得得右右边边 k 级级明明纹纹的的半半径径为为4mm，k+5级级明明纹纹的的半半径径为为6mm。平平凸凸透透镜镜的的R=10m。求求（1）入入射射光光的

13、的波波长长；（2）左左边边牛顿环的图样如何牛顿环的图样如何?n1n2n1nn第27页，共39页，编辑于2022年，星期五解：解：（1）右：）右：n1 nn1,nn3，故有半波损失故有半波损失n1n2n1nn第28页，共39页，编辑于2022年，星期五n1n2n1nn第29页，共39页，编辑于2022年，星期五3.6 3.6 迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪 美国物理学家。1852 年12月19日出生于普鲁士斯特雷 诺（现属波兰），后随父母移居美国，1837年毕业于美国海 军学院，曾任芝加哥大学教授，美国科学促进协会主席,美国 科学院院长；还被选为法国科学院院士和伦敦皇家

14、学会会 员，1931年5月9日在帕萨迪纳逝世。迈克耳孙主要从事光学和光谱学方面的研究，他以毕生精力从事光速的精密测量，在他的有生之年，一直是光速测定的国际中心人物。他发明了一种用以测定微小长度、折射率和光波波长的干涉仪（迈克耳孙干涉仪），在研究光谱线方面起着重要的作用。1887年他与美国物理学家E.W.莫雷合作，进行了著名的迈克耳孙-莫雷 实验，这是一个最重大的否定性实验，它动摇了经典物理学的基础。他研制出高分辨率的光谱学仪器，经改进的衍射光栅和测距仪。迈克耳孙首倡用光波波长作为长度基准，提出在天文学中利用干涉效应的可能性，并且用自己设计的星体干涉仪测量了恒星参宿四的直径。由于创制了精密的光学

15、仪器和利用这些仪器所完成的光谱学和基本度量学研究，迈克耳孙于1907年获诺贝尔物理学奖金。第30页，共39页，编辑于2022年，星期五用迈克耳孙干涉仪测气流用迈克耳孙干涉仪测气流第31页，共39页，编辑于2022年，星期五单单色色光光源源反反射射镜镜反射镜反射镜一一一一 迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪与与 成成 角角补偿板补偿板 分光板分光板 移动导轨移动导轨第32页，共39页，编辑于2022年，星期五反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源光程差光程差 的像的像第33页，共39页，编辑于2022年，星期五当当 不垂直于不垂直于 时，可形成劈尖时，可形成劈尖型等厚干涉

16、条纹型等厚干涉条纹.反反射射镜镜反射镜反射镜单单色色光光源源第34页，共39页，编辑于2022年，星期五干涉干涉条纹条纹移动移动数目数目二二二二 迈克尔孙干涉仪的主要特性迈克尔孙干涉仪的主要特性迈克尔孙干涉仪的主要特性迈克尔孙干涉仪的主要特性 两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路两相干光束在空间完全分开，并可用移动反射镜或在光路中加入介质片的方法改变两光束的光程差中加入介质片的方法改变两光束的光程差.移移动动距距离离移动反射镜移动反射镜第35页，共39页，编辑于2022年，星期五 干涉条纹的移动干涉条纹的移动干涉条纹的移动干涉条纹的移动 当当 与与 之间距离变大时之间距离变大时，

17、圆形干涉条纹从中心，圆形干涉条纹从中心一个个长出一个个长出,并向外扩张并向外扩张,干涉条纹变密干涉条纹变密;距离变小时，距离变小时，圆形干涉条纹一个个向中心缩进圆形干涉条纹一个个向中心缩进,干涉条纹变稀干涉条纹变稀.第36页，共39页，编辑于2022年，星期五插入介质片后光程差插入介质片后光程差光程差变化光程差变化干涉条纹移动数目干涉条纹移动数目介质片厚度介质片厚度光程差光程差第37页，共39页，编辑于2022年，星期五三三三三 相干长度相干长度相干长度相干长度 单色点光源中分子或原子的发光是间歇的，而每一列波列是单色点光源中分子或原子的发光是间歇的，而每一列波列是一段有限长一段有限长L，同一

18、波列分解的两列波在空间相遇时可产生干涉。，同一波列分解的两列波在空间相遇时可产生干涉。两列相干波的最大光程两列相干波的最大光程 L，与之相对应的时间，与之相对应的时间 t称称相干时间，即同一波列分解的两列波到达观察点的时间相干时间，即同一波列分解的两列波到达观察点的时间 t才能产生干涉。才能产生干涉。第38页，共39页，编辑于2022年，星期五b ab2 a2b1 a1b ab2 a2b1 a1可证明：可证明：可证明：可证明：可见：波长宽度越小即单色光的单色性越好，相干可见：波长宽度越小即单色光的单色性越好，相干可见：波长宽度越小即单色光的单色性越好，相干可见：波长宽度越小即单色光的单色性越好，相干 长度越大。长度越大。长度越大。长度越大。第39页，共39页，编辑于2022年，星期五